Согласно теоретической модели, разработанной физиками Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) в Мюнхене, в клеточных выпячиваниях моторные белки, транспортирующие грузы, часто мешают друг другу. В результате свободно диффундирующие белки быстрее достигают переднего края.
Летняя пора, школа закончилась, и отдыхающие садятся в свои машины и мчатся к ближайшему шоссе. Увеличение интенсивности движения на автомагистралях в такое время регулярно приводит к множеству пробок и замедлению движения. Математическое моделирование транспорта грузов в локализованных клеточных выпячиваниях с помощью моторных белков предполагает, что очень похожее явление имеет место в живых клетках. В новой статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, профессор LMU Эрвин Фрей и Изабелла Граф описывают разработку теоретической модели, которая указывает на то, что наиболее эффективный способ для белков достичь места назначения в узком выступе - это рассеять большую часть путь и «запрыгнуть в автобус» (т.е. прикрепиться к моторному белку) на небольшом расстоянии от своей цели.
Клетки производят тонкие шиповидные выпячивания, называемые филоподиями или микроворсинками, рекрутируя субъединицы для полимеризации актиновых филаментов в локализованных областях непосредственно под плазматической мембраной. Растущие филаменты взаимодействуют со сшивающими белками, образуя жесткие пучки, которые выталкивают клеточную мембрану наружу и стабилизируют расширяющийся выступ. Такие выпячивания участвуют в миграции клеток, заживлении ран или процессах межклеточной передачи сигналов и образуют характерные «щеточные бордюры» на апикальных поверхностях кишечного эпителия. В зависимости от функций этих выступов к их концам должны быть доставлены определенные белки. Этот процесс может осуществляться за счет пассивной диффузии в цитоплазме, окружающей филаменты, или за счет активного транспорта, опосредованного специализированными моторными белками, связывающими груз. Эти моторы прикрепляются к субъединицам направленно поляризованных актиновых филаментов и «ходят» вдоль них, неся свой груз к кончикам выступов. «Можно было бы наивно предположить, что система направленного транспорта доставит туда белки намного быстрее, чем свободная диффузия», - говорит Изабелла Граф. «Но теперь мы использовали математическую модель для моделирования и анализа взаимодействия между активным и диффузным транспортом в клеточных выпячиваниях, которые представляют собой полузакрытую систему - открытую в основании, закрытую на кончике. - И, к нашему удивлению, мы обнаружили, что диффузионный транспорт на самом деле является более эффективным видом транспорта».
Моделирование, основанное на модели, которая включает динамическое прикрепление и отсоединение моторных белков от филаментов и пошаговое направленное движение вдоль филаментов, показывает, что скорость направленного активного транспорта внутри выпячиваний значительно снижается из-за стерических затруднений между моторными белками. на нити. Поскольку они не могут ни перепрыгивать через тех, кто впереди них, ни занимать одно и то же пространство, между ними возникают корреляции, так что они больше не ведут себя независимо. Результатом такого коррелированного поведения являются заторы на дорогах, как на оживленном шоссе, и движение к оконечности резко замедляется.
Разработанная авторами математическая модель учитывает как плотность моторных белков, так и их взаимную интерференцию, и точно отражает динамику транспорта по актиновым филаментам. Основываясь на результатах своего моделирования, авторы пришли к выводу, что белки, выбирающие диффузионный вариант, быстрее достигают кончика, но на самом деле могут использовать систему филаментов на последнем отрезке пути. «Если задняя часть не слишком длинная, это может иметь положительный эффект вблизи кончика», - говорит Граф. «Поскольку скорость продвижения низкая, моторные белки проводят в этой области больше времени, чем в противном случае, и поэтому их грузы имеют больше времени для выполнения своей функции. Кроме того, модель предполагает, что было бы биологически выгодно, если бы скорость отсоединения вблизи кончика филамента была выше, чем где-либо еще, поскольку это уменьшило бы длину хвоста, одновременно способствуя накоплению моторных белков на кончике.